새로운 연구에 따르면 실험실에서 성장한 인간의 망막은 갑상선 호르몬이 아닌 레티노산이 인간의 시각에 중요한 색에 민감한 세포의 발달을 결정한다는 사실이 밝혀졌습니다. 이 발견은 색맹, 시력 상실 및 색을 보는 방법의 유전적 기초에 대한 이해를 발전시켜 향후 시력 장애 치료를 위한 유망한 길을 제시합니다.
연구자들은 실험실에서 인간의 망막을 성장시켜 비타민 A 유도체가 인간이 다양한 색을 인식하는 능력을 담당하는 독특한 세포를 생성하는 과정을 밝혀냈습니다. 이러한 시각 능력은 개, 고양이 및 기타 다양한 포유류에는 존재하지 않습니다.
“이 망막 오가노이드를 통해 처음으로 인간의 특성을 연구할 수 있게 되었습니다.”라고 생물학 부교수인 로버트 존스턴(Robert Johnston)은 말합니다. “무엇이 우리를 인간으로 만들고 무엇이 우리를 다르게 만드는지에 대한 거대한 질문입니다.”
PLOS Biology에 발표된 이 연구 결과는 색맹, 노화 관련 시력 상실 및 광수용체 세포와 관련된 기타 질병에 대한 이해를 향상시킵니다. 또한 과학자들이 갑상선 호르몬에 의해 제어된다고 생각했던 특정 색 감지 세포를 만들도록 유전자가 어떻게 인간의 망막에 지시하는지를 보여줍니다.
색상 감지 메커니즘
연구팀은 오가노이드의 세포 특성을 수정하여 산 레티노익(retinoic)이라는 분자가 원뿔이 적색 또는 녹색 빛을 감지하는 데 특화되어 있는지 여부를 결정한다는 사실을 발견했습니다. 정상적인 시력을 가진 인간과 이와 밀접한 관련이 있는 영장류만이 적색 센서를 발달시킵니다.
수십 년 동안 과학자들은 적색 원뿔이 세포가 무작위로 녹색 또는 빨간색 파장을 감지하는 동전 던지기 메커니즘에 의해 형성된다고 생각했습니다. 최근 존스턴 교수팀의 연구에 따르면 이 과정이 갑상선 호르몬 수치에 의해 제어될 수 있다고 합니다. 대신, 새로운 연구는 눈의 레티노산에 의해 조율되는 특정 일련의 사건을 통해 붉은 원뿔이 구체화된다는 것을 시사합니다.
청록색 원뿔은 청록색으로, 녹색/적색 원뿔은 녹색으로 표시된 망막 오가노이드. 저조도 또는 어두운 환경에서 눈이 볼 수 있도록 도와주는 막대라고 불리는 세포는 자홍색으로 표시되어 있습니다. 출처: Sarah Hadyniak/Johns Hopkins University
연구팀은 오가노이드 발달 초기에 레티노산 수치가 높으면 녹색 원뿔의 비율이 높아진다는 사실을 발견했습니다. 마찬가지로, 낮은 수준의 산은 망막의 유전적 지시를 변경하여 발달 후반에 적색 원뿔을 생성했습니다.
존스턴은 “여전히 우연적인 요소가 개입되어 있을 수 있지만, 우리가 발견한 중요한 사실은 레티노산이 발달 초기에 생성된다는 것입니다.”라고 말합니다. “이 시기는 원추세포가 어떻게 만들어지는지 배우고 이해하는 데 매우 중요합니다.”
녹색과 적색 원추세포는 빛을 감지하여 뇌에 어떤 색을 보는지 알려주는 옵신이라는 단백질을 제외하면 놀라울 정도로 유사합니다. 각 센서의 유전자는 96% 동일하게 유지되지만, 옵신에 따라 원추세포가 녹색 센서가 될지, 빨간색 센서가 될지가 결정됩니다. 연구팀은 오가노이드에서 이러한 미묘한 유전적 차이를 발견한 혁신적인 기술을 사용하여 200일 동안 원뿔의 비율 변화를 추적했습니다.
존스턴의 연구실에서 박사 과정 학생으로 연구를 이끌었고 현재 듀크 대학교에 재직 중인 저자 사라 하다니악(Sarah Hadyniak)은 “오가노이드에서 녹색 및 적혈구의 개체수를 조절할 수 있기 때문에 풀을 더 푸르거나 더 붉은 색으로 만들 수 있습니다.”라고 말합니다. “이는 레티노산이 유전자에 어떻게 작용하는지를 정확히 알아내는 데 시사하는 바가 있습니다.”
가변성과 비전
연구진은 또한 성인 700명의 망막에서 이러한 세포의 매우 다양한 비율을 매핑했습니다. 인간에서 녹색 원뿔과 적색 원뿔의 비율이 어떻게 변화했는지 확인한 것은 새로운 연구에서 가장 놀라운 발견 중 하나였습니다.”라고 Hadyniak은 말합니다.
사람 망막의 단면도입니다. 점선은 파란색의 녹색 원뿔과 분홍색의 빨간색 원뿔을 나타냅니다. 출처: Sarah Hadyniak/Johns Hopkins University
과학자들은 녹색 원뿔과 빨간색 원뿔의 비율이 사람의 시력에 영향을 미치지 않으면서 어떻게 그렇게 크게 달라질 수 있는지 아직 이해하지 못하고 있습니다. 만약 이러한 세포 유형이 사람의 팔 길이를 결정한다면, 서로 다른 비율에 따라 “엄청나게 다른” 팔 길이가 만들어질 것이라고 존스턴은 말합니다.
망막 중심부 근처의 빛에 민감한 세포가 소실되는 황반변성과 같은 질병을 더 잘 이해하기 위해 연구진은 다른 존스홉킨스 연구소와 협력하고 있습니다. 원추체와 다른 세포가 신경계에 어떻게 결합하는지에 대한 이해를 깊게 하는 것이 목표입니다.
“미래에 대한 희망은 이러한 시력 문제를 가진 사람들을 돕는 것입니다.”라고 존스턴은 말합니다. “그렇게 되려면 시간이 좀 걸리겠지만, 우리가 이런 다양한 유형의 세포를 만들 수 있다는 것만으로도 매우 희망적입니다.”
존스 홉킨스의 다른 저자로는 Kiara C. Eldred, Boris Brenerman, Katarzyna A. Hussey, Joanna FD Hagen, Rajiv C. McCoy, Michael EG Sauria 및 James Taylor, James A. Kuchenbecker, Thomas Reh, Ian Glass, Maureen Neitz, 워싱턴대학교의 Jay Neitz가 참여했습니다.